软件定义卫星网络的流表一致性优化的方法技术

本发明专利技术公开了软件定义卫星网络的流表更新及流表一致性优化方法，涉及软件定义卫星网络领域。本发明专利技术的流表一致性优化方法首先通过网络感知实时监测卫星网络全局状态，维护卫星网络中不同时刻的拓扑图，并及时更新网络的拓扑状态及事件；然后将基于下发时延的路由决策和基于路径相似度的路由决策结合，所需的下发延时以及写入延时都较小，从而降低流表更新过程的总延时；最后通过调整交换机的下发顺序，减少交换机到控制器的时延对流表不一致的影响，通过对新旧流表进行分类处理，减少下发流表项的数目来达到减少流表项的写入时间，从而减少流表更新的总时延。本发明专利技术更好的改善了软件定义卫星网络流表更新的不一致性问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及软件定义卫星网络(Software Defined Satellite Network，SDSN)领域，特别是涉及到改善软件定义卫星网络流表更新的不一致性问题。
技术介绍
近年来软件定义网络(Software Defined Network,SDN)作为一种新的技术理念受到了越来越多的关注。它通过将网络中的管理功能从交换机或路由器等传统网络设备上剥离，从而实现了控制平面与数据平面的完全独立。SDN中控制平面可以实时监控和收集网络信息，及时反馈网络状态，包括网络设备工作状态和链路连接状态。这种集中控制功能应用到卫星网络中，能够很好地解决卫星网络由于拓扑时变性引起的控制信息发布和收敛时效性差等问题。在SDN控制机制中，提出了流表的概念。流表是对传统网络中二层转发表、三层路由表的抽象，对网络中链路层、网络层、以及传输层的网络配置信息进行了整合。该机制弱化了协议在卫星网络中概念，达到同时处理与响应卫星网络中并存的各个层次的协议的目的，进而能够解决卫星网络中存在的协议异构性问题。基于上述分析，SDN为解决卫星网络的协议异构性、拓扑时变性都提供了一个新的方向。在SDN技术中，控制平面与数据平面的分离、网络状态分发机制和时延的影响，都对SDN流表的一致性需求提出了挑战。SDN数据平面不运行任何协议，通过控制器下发控制指令对数据进行处理。
由于数据平面的分布式结构以及网络时延的存在，在下发流表时，不同网络设备中的流表不可能同时到达。这种情况下可能会造成网络设备中同时存在新旧两种流表，引起流表的不一致。流表的不一致可能导致数据平面对同一个业务的不同的处理，影响网络性能造成网络出现断路、丢包、环路等现象。尤其在卫星网络中，动态拓扑使得网络状态频繁发生变化，控制器需要不断的对网络状态进行收集，频繁更改路由策略并对路由表进行下发。这些状态的频繁改变使得软件定义卫星网络中流表不一致性问题更加突出。为了提高卫星网络的稳定性和可靠性，对卫星网络的SDN流表一致性进行研究具有重要意义。流表的更新延时是影响流表一致性的主要因素，而流表在更新过程中时延包括两部分：下发时延和流表写入时延。下发时延是控制器将流表发送到交换机上所需的下发时延，该时延受控制器到交换机之间的控制链路的时延的影响，又被称为控制延时。写入时延是指SDN中流表安装到交换机上的时延。更新时延则是流表下发时延与流表写入时延之和。在控制器在对网络中交换机进行流表更新时，交换机更新的先后顺序也会对流表的一致性产生影响。同时流表的更新策略不同，流表的写入时间也不同。目前对流表一致性的研究大多集中于流表的下发规则，这是因为针对地面网络，网络的节点数目多，业务量大，在网络控制规则发生变化时，需要大量的更新流表。而在卫星网络中，卫星节点的数目不多，且卫星网络所承担的业务量相对地面网络来说较少，此外由于卫星网络特殊的网络环境，卫星节点间的相对距离较大，使得卫星网络
相比地面网络具有较大的网络延时。如卫星网络中GEO(高轨卫星网络)节点对地面的延时多达一百多毫秒，而且卫星网络的恶劣的空间环境使得网络中的延迟问题加剧。同时卫星网络的动态拓扑，使得网络环境不稳定，星间、星地间链路的切换使得业务传输过程中所经路径切换频繁，会造成网络控制规则频繁变化，控制器需要不断的收集网络状态，制定路由策略以及更新流表规则。不一致时延是用来判断计算的路径中各交换机节点是否存在逻辑不一致的情况，若交换机m到控制器的延时cm大于路径中源交换机节点到控制器的延时c1与路径中前m个节点的链路延迟之和，则认为交换机m存在不一致时延，则不一致时延△t＝cm-c1-前m个节点链路之和，那么在网络对该路径更新流表时，交换机m的流表生效所需要的时间较长，会发生在数据包到达交换机m时，交换机m的流表仍然没有生效的情况；若不存在不一致时延，△t＝0。
技术实现思路
针对卫星网络的网络延迟大，动态拓扑的特性，本专利技术分别从控制时延、流表写入时延以及切换来考虑在卫星网络中的流表一致性优化问题，进一步优化了流表一致性，提高了卫星网络的可靠性和稳定性。本专利技术通过以下技术放案来实现：一种基于软件定义卫星网络的流表更新方法，包括以下步骤：(101)控制器计算新路径中各交换机的不一致时延，若新路径中存在不一致时延，则控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表
到交换机的顺序；若新路径中各交换机均不存在不一致时延，则控制器按照新路径中各交换机的先后顺序依次下发流表到各交换机；(102)把各交换机的流表项分为新增流表项、删除流表项、更改流表项以及共同流表项四类；(103)将新路径与原始路径对比分析，通过判断交换机的流表项属于哪一类并执行相应的下发流表策略。其中，步骤(101)中控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序，具体为：控制器按照不一致时延的由大到小的顺序对新路径中的交换机下发流表。一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，包括路由决策方法和所述的一种基于软件定义卫星网络的流表更新方法；将路由决策方法所得的最优路径作为流表更新方法的新路径。其中，所述的路由决策方法具体包括步骤：(201)将最小下发时延路径与最大相似度路径结合，构造双目标函数；所述的双目标函数为：min(∑m∈Pcm+Δtmax)与maxRi，其中，cm为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，Δtmax为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值，Ri为路径i与原始路径的路径相似度；(202)将双目标函数转换为单目标函数，将满足单目标函数的路径作为最优路径；所述的单目标函数为：min[α(∑m∈Pcm+Δtmax)+ββ′(1-Ri)]，其中，β′为
归一化因子，α和β分别为两个目标的权重系数，代表两个目标的相对重要程度，且α+β＝1。其中，所述的最小下发时延路径的获得包括以下步骤：(301)软件定义卫星网络中的控制器根据当前网络拓扑和当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；所述的网络参数包含各个节点信息和延迟信息，网络拓扑包含链路连接关系、链路延迟以及网络中交换机和控制器之间的控制延迟；(302)分别计算各可达路径的中的每个交换机的不一致时延；(303)找出可达路径中所有满足目标函数min(∑m∈Pcm+Δtmax)的路径；其中，cm为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，Δtmax为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值；(304)判断步骤(303)所得路径的传播延时是否小于等于路径时延指标，并将小于等于路径时延指标的路径作为最小下发时延路径。其中，所述的最大相似度路径的获得具体包括以下步骤：(401)软件定义卫星网络中的控制器根据当前网络拓扑和当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；(402)分别计算原始路径与各可达路径中表示每个交换机状态的节点状态矩阵；所述的节点状态矩阵为：在路径中经过的交换机，
在节点状态矩阵的对应元素为1；在路径中不经过的交换机，在节点状态矩阵的对应元素为0；(403)分别计算各可达路径与原始路径之间的相似本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于软件定义卫星网络的流表更新方法，其特征在于，包括以下步骤：(101)控制器计算新路径中各交换机的不一致时延，若新路径中存在不一致时延，则控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序；若新路径中各交换机均不存在不一致时延，则控制器按照新路径中各交换机的先后顺序依次下发流表到各交换机；(102)把各交换机的流表项分为新增流表项、删除流表项、更改流表项以及共同流表项四类；(103)将新路径与原始路径对比分析，通过判断交换机的流表项属于哪一类并执行相应的下发流表策略。

【技术特征摘要】
1.一种基于软件定义卫星网络的流表更新方法，其特征在于，包括以下步骤：(101)控制器计算新路径中各交换机的不一致时延，若新路径中存在不一致时延，则控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序；若新路径中各交换机均不存在不一致时延，则控制器按照新路径中各交换机的先后顺序依次下发流表到各交换机；(102)把各交换机的流表项分为新增流表项、删除流表项、更改流表项以及共同流表项四类；(103)将新路径与原始路径对比分析，通过判断交换机的流表项属于哪一类并执行相应的下发流表策略。2.根据权利要求1所述的一种基于软件定义卫星网络的流表更新方法，其特征在于，步骤(101)中控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序，具体为：控制器按照不一致时延的由大到小的顺序对新路径中的交换机下发流表。3.一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，其特征在于，包括路由决策方法和如权利要求1所述的一种基于软件定义卫星网络的流表更新方法；将路由决策方法所得的最优路径作为流表更新方法的新路径。4.根据权利要求3所述的一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，其特征在于，所述的路由决策方法具体包括步骤：(201)将最小下发时延路径与最大相似度路径结合，构造双目标函数；所述的双目标函数为：min(∑m∈Pcm+△tmax)与maxRi，其中，cm为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，△tmax为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值，Ri为路径i与原始路径的路径相似度；(202)将双目标函数转换为单目标函数，将满足单目标函数的路径作为最优路径；所述的单目标函数为：min[α(∑m∈Pcm+△tmax)+ββ′(1-Ri)]，其中，β′为归一化因子，α和β分别为两个目标的权重系数，代表两个目标的相对重要程度，且α+β＝1。5.根据权利要求4所述的一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，其特征在于，所述的最小...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪春霆，张翠平，卢宁宁，付文亮，张海鹏，杨悦，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13